Anahtar Kelimeler: OFDM, M-QAM, Turbo

MÜKEMMEL OLMAYAN KANAL KESTİRİMİ ALTINDA
UYARLAMA MODÜLASYONLU TURBO KODLANMIŞ OFDM
Yük. Müh. Musa CİVİL
Posta Adresi: Öveçler 2.Cadde 1145.Sokak Kılıç Apartmanı No:3/8, Dikmen / Ankara
E-Posta Adresi: [email protected]
Cep Tel: +90 505 864 5890
ÖZET
Bu çalışmada QAM modüle edilmiş OFDM sistemler için uyarlamalı modülasyon
tekniği 4/8/16 QAM olarak uygulanmış ve mükemmel kanal kestirimi altında bit-hataoranı benzetim çalışmaları yapılarak elde edilmiştir. Bu çalışmalar turbo kodlar ile
desteklenerek mükemmel kanal kestirimi altında uyarlama modülasyonlu turbo
kodlanmış OFDM sistemler için bit-hata-oranı benzetim çalışmaları ile elde edilmiştir.
Mükemmel kanal kestirimi yapılarak incelenen uyarlama modülasyonlu turbo
kodlanmış sistemler pilot sembol eklenerek ve mükemmel olmayan kanal kestirimi
metotları uygulanarak incelenmiş ve benzetim çalışmaları ile bit-hata-oranı
hesaplanarak mükemmel kanal kestirimi ile karşılaştırılmıştır.
Anahtar Kelimeler: OFDM, M-QAM, Turbo Kodlama Tekniği, Uyarlamalı
Modülasyon, Bit Hata Oranı
ADAPTIVE MODULATED & TURBO CODED OFDM SYSTEMS UNDER
IMPERFECT CHANNEL ESTIMATION
ABSTRACT
In this work, Adaptive Modulation as 4/8/16 QAM is applied to QAM modulated
OFDM Systems and bit-error-ratio simulations are made under perfect channel
estimation. Supporting by turbo coding bit-error-ratio simulations are gained for
adaptive modulated OFDM systems under perfect channel estimation.
Adaptive modulated and turbo coded OFDM systems are supporting by pilot and
analyzed under imperfect channel estimation. Simulation results by calculating biterror-ratio under perfect and imperfect channel estimation are also compared.
Key Words: OFDM System, M-QAM, Turbo Coding, Adaptive Modulation, Bit-ErrorRatio (BER)
1. GİRİŞ (INTRODUCTION)
OFDM modülasyon teknikleri son yıllarda kablosuz haberleşme alanında oldukça
yoğun olarak kullanılmaktadır. Birçok modern haberleşme sistemlerinde OFDM
tekniğine oldukça sık olarak rastlanır.
Veri aktarımı kablosuz ortamda tek bir rf-taşıyıcı üzerinden gönderilirken birden fazla
bozucu etki ile karşılaşabilir ve ulaştığı noktada verilerin büyük bir bölümünde hata
oluşmuş ayrıca frekans bandı verimli kullanılmamış olur. Çok-taşıyıcılı veri
aktarımında ise daha küçük frekans bandında birbirine dikgen alt-taşıyıcılar sayesinde
veri aktarımı daha verimli ve kayba karşı daha dayanıklı olarak yapılır.
OFDM tekniği çok taşıyıcı iletim tekniğinin özel bir şekli olup tek bir yüksek hızlı data
serisinin birden çok düşük hızlı data serisine ayrılmasını ifade etmektedir. Bu düşük
hızlı data dizilimleri daha sonra alt-taşıyıcılar kullanılarak modüle edilerek birbirine
dikgen duruma gelirler. Bu sayede çok yollu gecikme yayılımı ile oluşan kanal
dağınıklarının sonucu ortaya çıkan ISI azaltılmış olur [1].
OFDM tekniğin temel avantajı çok-yollu gecikme yayılımına karşı dayanımı ve bant
genişliğini birbiri üzerine frekans bölmesinde bindirilerek etkin kullanımıdır. Dikkat
çeken diğer bir özelliği ise modülasyon ve ters modülasyon işlemlerinin hızlı ve ters
hızlı fourier dönüştürücü üzerinden hesaplama kolaylığıdır [1].
OFDM tekniğinde dikgen frekans bölmeli çoklama yapılarak bant genişliği daha
verimli kullanılmış olur. Örneğin, tek-taşıyıcılı bir frekans bölmeli çoklama 60 kHz
bant genişliği kaplarken 4 taşıyıcılı herbiri15 kHz bant genişliğinde bir OFDM sistem
ile frekans spektrum daha etkin kullanılmış olur.
OFDM tekniği ile modüle edilmiş bir sistem genel olarak frekans spektrumun etkin
kullanımı ve çok yollu kanal etkisi ile ortaya çıkan ISI karşı dayanım sağlamaktadır.
Temel olarak kablosuz haberleşmede kullanılan bir temel bant OFDM sistem verici ve
alıcı sisteminden oluşmaktadır.
OFDM sistemi verici birimlerini incelersek; MOD bloğu ile frekans bölgesinde
oluşturulan data en çok kullanılan M-PSK ya da M-QAM modülatör ile modüle edilir.
S/P bloğu modüle edilmiş sembollerin her birini veya birkaçını alt-taşıyıcılar için
uygun hale getirir. IFFT bloğu ise OFDM tekniğinin asıl uygulandığı blok olup frekans
bölgesinde zaman bölgesine geçişin yapıldığı yerdir. A-CP bloğu ile bir çerçeve
içindeki OFDM sembollerinin diğer çerçeve içindeki OFDM sembolleri ile karışması
engellenerek haberleşme dayanıklılığı sağlanır. Haberleşme kanalı boyunca data seri
olarak iletileceği için A-CP’den hemen önce P/S çevrimi yapılarak OFDM alttaşıyıcıları içindeki sembollerin seri hale gelmesi sağlanır.
Kanal ise çok-yollu Rayleigh kanal olup gürültü eklemesinin gönderilen sinyallere
bindirildiği yapıdır. Verici birimde IFFT bloğu sonrasında tüm işlemler zaman
bölgesinde yapılmaktadır.
OFDM sisteminin alıcı birimi ise verici tarafındaki blokların yaptığı fonksiyonların
terslenerek yapıldığı yerdir. R-CP bloğu bir çerçeve içindeki OFDM sembol
bozulmalarını bir sonraki OFDM sembolleri ile engellenmesi için yerleştirilen önek
verisinin kaldırılarak bir sonraki bloğa sadece çerçeve içindeki OFDM sembolünün
iletildiği bloktur. Bu aşamadan sonra frekans bölgesine tekrar geçmek için S/P
dönüşümüne tekrar ihtiyaç duyulur. FFT bloğu ile tekrar zaman bölgesinden frekans
bölgesine geçiş sağlanır ve semboller alt-taşıyıcılardan ayrılır. P/S bloğu verinin ters
modüle edilmesi için seri dizi haline getirildiği yerdir. DEMOD bloğu ise ters
modülasyon gerçekleştirilerek veri olarak sunulduğu bloktur.
FEC teknikleri arasında yer alan turbo kodlama tekniği haberleşme sistemlerinde
oldukça fazla kullanım alanı olan ve veri güvenliği başarımı oldukça yüksek olan bir
kodlama yapısıdır.
Turbo kodlama için 1/2 ve 1/3 kodlama oranı bu tez kapsamında uygulanmıştır. Basit
olarak 1/2 turbo kodlama yapısını incelersek göndermek istediğimiz her bir veri biti
için yanına bir tane güvenlik biti ekleriz. Bu güvenlik biti veri bitinin hatalara karşı
dayanımını artırır.
Turbo kodlama OFDM sistemi mimarisi içinde basit olarak ENC ve DEC blokları ile
gösterilmiştir. ENC bloğu haberleşme kanalında gönderilecek veriyi alarak Turbo 1/2
ya da 1/3 olarak kodlanmış hale getirir. ENC bloğunda çıkan kodlanmış veri MOD
bloğuna girer.
Alıcı tarafında ise durum verici tarafında yapılan işlemlerin tam tersi olarak gerçekleşir.
DEMOD bloğundan ters modüle edilmiş olarak ayrılan kodlanmış veri dizisi DEC
bloğundan geçerek sadece veri dizisi haline gelir.
2. bölümde uyarlama kodlamalı turbo kodlanmış QAM/OFDM mimarisi oluşturularak
mükemmel ve mükemmel olmayan kanal kestirimi altında BER analiz karşılaştırmaları
yapılmıştır. Yine bu bölüm içerisinde mükemmel olmayan kanal kestirimi için gürültü
azaltma tekniği olarak DFT temelli yapıdan bahsedilmiştir. DFT temelli kestirim
yapısında kanal gecikme oranı dikkate alınarak filtre boyunca tüm gürültünün kestirim
hesabına katılmasının önüne geçilmiş olur.
2. UYARLAMA MODÜLASYONLU TURBO KODLANMIŞ OFDM
(ADAPTIVE MODULATED TURBO CODED OFDM)
2.1. Uyarlama Modülasyonlu Turbo Kodlanmış OFDM Mimarisi
(Adaptive Modulated Turbo Coded OFDM Architecture)
Uyarlamalı modülasyonlu turbo kodlanmış sistem mimarisinde kanal kestirimi
sonucunda alıcı tarafındaki alt-kanalların anlık sinyal gürültü oranı (SNR) değeri
hesaplanarak alıcı ve vericinin bir sonraki OFDM gönderimini seçmeleri için uygun
modülasyon ve ileri-hata-düzeltme (FEC) kod oranı seçilmektedir.
Kablosuz iletişim düşünüldüğünde bir OFDM sembolü içerisinde yer alan her bir alttaşıyıcı kanalın tepkisinde aynı anda farklı şekillerde etkilenir. Sönümlemenin çok hızlı
olduğu frekans bölgelerinde sembol aktarımını gerçekleştiren alt-taşıyıcı daha fazla
etkilenirken sönümlemenin az olduğu yerde sembol aktarımını gerçekleştiren alttaşıyıcı daha az etkilenir.
Adaptasyon algoritması için kullanılan bir yöntem olan eşik değer uygulaması ile en
düşük SNR değerine sahip olan alt-taşıyıcı, kendisinin içinde yer aldığı alt-bant için bir
sonraki OFDM sembol çerçevesindeki uygulanacak modülasyonun seçimini belirler
[2].
Bu algoritmada ortalama SNR değeri her bir alt-bant için hedeflenen BER değerinden
küçüktür. Eğer BER değeri hedeflenen değere yaklaşıyorsa daha uygun bir modülasyon
ve kod oranı seçilerek çıktı (throughput) miktarı artırılır [3].
BER için hedef değer olarak veri aktarımının yapılabileceği 10-2 değeri seçilerek her bir
OFDM çerçevesi için adaptasyon metodu uygulanmıştır.
Kanal kestirimi ve anlık SNR ölçümü alıcı tarafında yapılır ve vericiye bir geri besleme
yapılarak bir sonraki çerçeve için uygun metot belirlenir [4].
Tablo 2.1. Uyarlama modülasyonu benzetim parametreleri
(Adaptive modulation simulated parameters)
Parametre
Değer
Parametre
Değer
FFT boyutu
512
Alt taşıyıcı frekans aralığı
9765,625 (Hz)
Alt-taşıyıcı sayısı
512
Kanal tipi
2-Yollu
Rayleigh kanal
Data alt-taşıyıcı sayısı
384
Kanal Kestirim
Mükemmel
Kanal Kestirimi,
DFT-LS, DFTMMSE
Pilot alt-taşıyıcı sayısı
128
Kullanılan sembol süresi
102,4 (µs)
Alt-bant sayısı
32
Koruma süresi
6,4 (µs)
Alt-bant başına alt-taşıyıcı
16
OFDM sembol süresi
108,8 (µs)
Pilot sembol aralığı
4
1 ms içindeki OFDM paket
sayısı
9
Çerçeve boyutu
1
FEC Oranı (Turbo)
1/2
Koruma aralığı
1/16
QAM Anahtarlamaları
4/8/16
Sinyal-gürültü-oranı
1-30 dB
Kanal Eşitleyici
ZF(Zero
Forcing)
Bant genişliği
5 MHz
Tablo 2.2. Anahtarlama eşik değerleri
(Switched threshold values)
Parametre
Değer
4-QAM, 1/2 kod oranı
SNR < 16 dB
8-QAM, 1/2 kod oranı
16 dB ≤ SNR <19
16-QAM, 1/2 kod oranı
19 dB ≤ SNR
B0
b0
B1
BN-2
bN-2
BN-1
bN-1
Frekans Bölgesi
A-CP
Zaman Bölgesi
2-Yollu
Rayleigh
Kanal
AMOD
P/S
ENC
S/P
DATA GİRİŞİ
b1
I
F
F
T
Mod Seçici
B0
b0
BN-2
bN-1
BN-1
bN-1
LS/
MMS+ZF
Eşitleyici
ADEMOD
S/P
DEC
P/S
DATA ÇIKIŞI
b1
F
F
T
R-CP
B1
+
AWGN
Şekil 2.1. Uyarlama modülasyonlu turbo kodlanmış QAM/OFDM sistem mimarisi
(Adaptive modulated turbo coded QAM/OFDM system architecture)
Şekil 2.1’de verilen uyarlama modülasyonu için alıcı tarafından kanal çıkışındaki sinyal
üzerinde anlık sinyal gürültü oranı kestirimi için Şekil 2.2’deki işlem akışı
uygulanmaktadır. Bu akış sonucunda eğer zıplama için uygun bir alt-bant var ise verici
ve alıcı konfigürasyonu bir sonraki OFDM sembolünde güncellenecektir.
Şekil 2.2’de çalışma kapsamında uygulanacak algoritma verilmiştir. Alternatif olarak
işlem yükünü ve alıcı-verici kompleksliğini artıran diğer bir algoritma ise şekil 2.3’de
verilmiştir. Bu algoritmada ise uyarlama modülasyonundaki alt bantlara uygulanacak
olan modülasyon tipi her bir alt-bant içerisinde yer alan alt taşıyıcılardan anlık sinyal
gürültü oranı en düşük olanın sahip olduğu değer eşik değerinin üzerinde ise bir
sonraki OFDM çerçevesinde bulunduğu alt-bant için alıcı-verici tarafında yeni
modülasyon tipi uygulanır.
Alıcı İşlemleri
OFDM çerçevesi içerisindeki herhangi bir alt-bant
(Subband) anlıkortalama SNR değeri bir sonraki
modülasyon adımı için eşik değerin üzerinde mi?
Evet
Hayır
Şekil 2.2. Uyarlama modülasyon algoritması
(Adaptive modulation algoritma)
Anlık ortalama SNR değeri>Eşik
Değer olan alt-bantlar için bir
sonraki
OFDM
çerçevedeki
modülasyon tipini değiştir. (Hem
alıcı da hem verici de)
Modülasyon seçiminde değişiklik
yapma!
+
Alıcı
İşlemleri
OFDM çerçevesi içerisindeki herhangi bir alt-bant
(Subband)
içindeki
alt-taşıyıcı
anlık
SNR
değerlerinden en küçük olan bir sonraki
modülasyon adımı için eşik değerin üzerinde mi?
Evet
Hayır
En küçük alt-taşıyıcı anlık
SNR değeri>Eşik Değer
olan alt-bantlar için bir
sonraki OFDM çerçevedeki
modülasyon tipini değiştir.
(Hem alıcı da hem verici de)
+
Modülasyon
seçiminde
değişiklik yapma!
Şekil 2.3. Alternatif uyarlama modülasyon algoritması
(Alternative adaptive modulation algoritma)
2.2. Bit Hata Oranı (BER) Analizi (BER Analysis)
Uyarlama modülasyonlu turbo kodlanmış sistem için BER sonuçları benzetim
çalışmaları ile elde edilmiştir. Bu benzetim çalışmaları yapılırken mükemmel ve
mükemmel olmayan kanal kestirimi uygulanmıştır.
Mükemmel olmayan kanal kestirimi yapılırken LS ve MMSE kanal kestirim
algoritmaları DFT temelli olarak uygulanmıştır.
2.2.1. Mükemmel kanal kestirimi altında (Under perfect channel estimation)
Mükemmel kanal kestirimi altında BER sonuçları oldukça başarılı olup 2-yollu
Rayleigh kanal için yapılmıştır. Şekil 2.4’de verilmiştir.
Şekil 2.4. Mükemmel kanal kestirimi altında bit-hata-oranı
(BER under perfect channel estimation)
2.2.2. DFT Temelli Mükemmel olmayan kanal kestirimi altında
(Under DFT based imperfect channel estimation)
Mükemmel olmayan DFT temelli LS ve MMSE kanal kestirimi altında BER sonuçları
oldukça başarılı olup 2-yollu Rayleigh kanal için yapılmıştır. Şekil 2.5 ve şekil 2.6’da
verilmiştir.
Sonuçlar mükemmel kanal kestirimini DFT gürültü azaltımı uygulanmadan önceki
durumuna göre bit-hata-oranı olarak ilerleme sağlamıştır. DFT temelli kanal kestirimi
için pilot sayısı
artırılarak bit-hata-oranı
geliştirilebilir, fakat
bu durumda
gönderdiğimiz kullanıcı verisini azaltmış kanalın çıktısını (throughput) aşağı çekmiş
oluruz.
Şekil 2.5. DFT-LS kanal kestirimi altında bit-hata-oranı
(BER under DFT-LS channel estimation)
Şekil 2.6. DFT-MMSE kanal kestirimi altında bit-hata-oranı
(BER under DFT-MMSE channel estimation)
3. SONUÇ (CONCLUSION)
Mükemmel olmayan kestirim içine kanal gürültüsünün tamamını almayacak şekilde
indirgendiğinde ortaya çıkan sonuçların başarılı olduğu gözlenmektedir.
Çalışma
kapsamında
Uyarlama
Modülasyonlu
LS-Kanal
kestirimi
yapılan
QAM/OFDM sistem performansı olarak düzgün sönümlemeli kanallarda kullanılması
daha uygun olacaktır.
Uyarlama modülasyonu performans artılarına rağmen alıcı/verici çiftinde tasarım
kompleksliğini artırmaktadır.
Çalışmalarda 4/8/16 QAM kullanılması üzerindeki zıplamalarda (modülasyon atlaması)
performans artışı görülemediğindir.
Çalışma kapsamında DFT temelli LS ve MMSE’deki gürültü azalımı incelenmiş olup
tavsiye edilmektedir.
Benzetim çalışmalarında turbo 1/2 kod oranı kullanılmıştır. Bit-hata-oranı 1/3 kod oranı
ile iyileştirilebilir fakat bu durumda bant genişliği etkin kullanımı azaltılmış olur.
Çalışma DFT temelli LS ve MMSE’deki gürültü azalımı ile birlikte M-PSK ve MQAM modülasyon yapacak şekilde genişletilebilir.
Sönümlemenin hızlı olduğu kanallarda benzer çalışmalar yapılırken kod oranları 1/3,
1/2 arasında eşik değerine göre değiştirilerek başarılı sonuçlar alınabileceği
öngörülmektedir.
Uyarlama modülasyonundaki eşik değer seçimi için alt-bant ortalama sinyal gürültü
oranı (SNR) yerine alt-bant içindeki minimum taşıyıcı sinyal gürültü oranı (SNR)
değeri alınarak çalışma kapsamı genişletilebilir.
Çalışma temel bant üzerinde yapılmış olmasına rağmen HF bant için geliştirilebilir.
Mobil istasyonlar ile olan etkisi Doppler kayması dikkate alınarak ileriki çalışmalar da
değerlendirilebilir.
4. KAYNAKLAR (REFERENCES)
1. Faezah, J. and Sabira, K., “Adaptive Modulation for OFDM Systems”,
International Journal of Communication Networks and Information Security
Transactions Power Electronics, 1 (2) : 1 – 8 (2009).
2. L.Hanzo., S.X.Ng., T.Keller., W.Web., “Quadrature Amplitude Modulation: From
Basics to Adaptive Trellies Coded, Turbo Equalised and Space-Time Coded
OFDM, CDMA and MC-CDMA Systems”, 2nd ed., John Wiley and Sons Ltd,
2004.
3. Y.Lei., A.Burr., “Adaptive Modulation and Code Rate for Turbo Coded OFDM
Transmissions”, Vehicular Technology Conferance, 1: 2702-2706, 2007.
4. K.M.Hadi., R.Tripathi., K.Kant., “Performance of Adaptive Modulation in
Multipath Fading Channel”, The 8th International Conference on Advanced
Communication Technology, 2: 1277-1282, 2006.
5. Civil M., “Uyarlama Modülasyonlu Turbo Kodlanmış Dikgen Frekans Bölmeli
Çoklama (OFDM) Sistemlerin Mükemmel Olmayan Kanal Kestirimi Altında
İncelenmesi”, Yüksek Lisans Tezi Gazi Üniversitesi Elektrik-Elektronik
Mühendisliği Anabilim Dalı, 2012